CN110238699A - 无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统及方法，定位系统包括用于测量工件在全局坐标系下内外面所有区域测量数据的激光跟踪仪组，以及将上述测量数据变换到该工件的设计模型坐标系下并获得误差评定数据的数据处理模块等；定位方法包括将所有测量数据从工件的测量全局坐标系下转换至模型设计坐标系下等步骤。本发明可实现无任何基准的成型结构、焊接结构和热处理结构等部件的精密机械加工定位，并可根据定位基准和数字化模型进行编程、加工。

Description

无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统及方法，具体涉及一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统及方法。

背景技术

利用机械加工机床对工件进行切削加工时，必须借助点、线、面等加工工艺基准对工件各个位置的加工余量进行去除加工，达到被加工表面技术要求的尺寸、形状和位置。而未定位的工件在空间的位置是任意的、不确定的，通常可根据工件自身的加工基准，加工工装上设置的基准，或者采用划线样板来确定余量分布并进行余量加工。

对于冲压成型、焊接或热处理后的结构，尤其是曲面工件，由于通常无法设置基准，或冷热变形导致基准失去参考意义，从而无法确定工件相对刀具占有正确的加工位置，机床也无法对其进行加工。

特别是无基准大型双层复杂曲面工件，例如如图1所示的1/32真空室扇形段1，其包括外壳11及内壳12，四个1/32真空室扇形段1通过中间过渡段焊接成1/8真空室扇形段，八个1/8真空室扇形段围绕构成基于未来聚变堆真空室，1/32真空室扇形段1在组合成真空室时，两侧面均有一定余量，需进行精密测量和机械加工，但由于受其结构及体积限制，导致其成型、焊接和热处理等各工序无法设置基准，加工难度增大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，一方面提供一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统。

一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统，包括：

激光跟踪仪组，用于测量上述工件在全局坐标系下内外面所有区域测量数据；

数据处理模块，用于将上述测量数据变换到该工件的设计模型坐标系下并获得误差评定数据；

机床加工平台，其上至少设有三个用于固定上述工件的辅助标准块，第一辅助标准块加工有三正交平面用于机床对刀，第二辅助标准块和第三辅助标准块上分别加工有两平面，作为第一辅助标准块上正交平面的延伸面，用于减小建立基准时长度方向误差；

编程控制系统，用于输出第一辅助标准块模型与设计模型，通过第一辅助标准块建立机床坐标系，设置加工零点，完成对上述工件的机械加工编程，并根据数据处理模块得到的误差评定数据对上述工件进行试切和余量加工。

另一方面提供一种利用上述无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统进行定位的方法。

一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，包括以下步骤：

（1）、利用激光跟踪仪组获得上述工件在全局坐标系下内外面所有区域测量数据；

（2）、利用数据处理模块将上述测量数据点集与该工件的设计模型进行配准，从而将测量全局坐标系下的测量数据欧式变换到设计模型坐标系下，并得到该工件的形状尺寸误差评定数据；

（3）、将该工件移至机床加工平台上，在其周围布置三个辅助标准块并固定，在第一辅助标准块上加工三正交平面，在第二辅助标准块和第三辅助标准块上加工第一辅助标准块各平面的延伸面，测量装配基准点和第一辅助标准块上的三正交平面，获得测量数据，将第一辅助标准块上的三正交平面测量点数据拟合为三正交平面模型，即第一辅助标准块模型；

（4）、将步骤（3）中所述的装配基准点测量数据与步骤（1）中所述的装配基准点数据进行配准，并将所有测量数据从该工件的测量全局坐标系下转换至模型设计坐标系下；

（5）、利用编程控制系统输出第一辅助标准块模型与设计模型，通过第一辅助标准块建立机床坐标系，设置加工零点，从而完成对该工件的机械加工编程，并根据步骤（2）得到的形状尺寸误差评定数据进行试切和余量加工。

本发明可实现无任何基准的成型结构、焊接结构和热处理结构等部件的精密机械加工定位，并可根据定位基准和数字化模型进行编程、加工，尤其适用于聚变工程实验堆中1/32真空室扇形段模拟件的机械加工定位以及数控加工，加工后尺寸均可控制在公差要求范围之内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术中所述1/32真空室扇形段的结构示意图；

图2为本发明中激光跟踪仪组与工件的位置结构示意图；

图3为本发明中机床加工平台、辅助标准块与工件的位置结构示意图；

图4为本发明中装配基准点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例中，无基准大型双层复杂曲面工件为背景技术中所述的1/32真空室扇形段1，包括外壳11及内壳12。

参见图2至图3，本发明提供的一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统包括：

激光跟踪仪组2，用于测量上述1/32真空室扇形段1在全局坐标系下内外面所有区域测量数据；

数据处理模块，用于将上述测量数据变换到该1/32真空室扇形段1的设计模型坐标系下并获得误差评定数据；

机床加工平台3，其上至少设有三个用于固定1/32真空室扇形段1的辅助标准块，第一辅助标准块31加工有三正交平面用于机床对刀，第二辅助标准块32和第三辅助标准块33上分别加工有两平面作为第一辅助标准块31上正交平面的延伸面，用以减小建立基准时长度方向误差；

编程控制系统，输出第一辅助标准块31模型与设计模型，通过第一辅助标准块31建立机床坐标系，设置加工零点，完成对1/32真空室扇形段1机械加工编程，并根据数据处理模块得到的误差评定数据对1/32真空室扇形段1进行试切和余量加工。

一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，使用一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统进行定位，包括以下步骤：

（1）、将上述1/32真空室扇形段1安装固定于装配平台（图未示）上，利用激光跟踪仪组2对外壳11的外表面及内壳12的内表面进行采点测量，点与点的横向距离和纵向距离a均为200mm，采用激光跟踪仪转站测量测量的方式以覆盖外壳11及内壳12的所有区域；同时对焊接固定于1/32真空室扇形段1外表面的32个装配基准点4（如图4所示）进行测量，从而获得测量全局坐标系下的测量数据；

（2）、将上述测量数据点集与1/32真空室扇形段1的设计模型通过基于最小二乘法的最近点迭代算法进行配准，从而将测量全局坐标系下的测量数据欧式变换到设计模型坐标系下，实现两坐标系的统一，并得到1/32真空室扇形段1的形状尺寸误差评定数据；

（3）、将1/32真空室扇形段1移至机床加工平台3上，在其周围布置三个辅助标准块并固定，然后在第一辅助标准块31上加工正交的XY、YZ、XZ平面，在第二辅助标准块32和第三辅助标准块33上加工第一辅助标准块31各平面的延伸面，利用激光跟踪仪组2同时测量装配基准点4和第一辅助标准块31上的三正交平面，获得测量数据，将第一辅助标准块31上的XY、YZ、XZ三正交平面测量点数据拟合为三正交平面模型，即第一辅助标准块31模型；

（4）、将步骤（3）中所述的装配基准点4测量数据与步骤（1）中所述的装配基准点4数据进行配准，并将所有测量数据从1/32真空室扇形段1的测量全局坐标系下转换至模型设计坐标系下；

（5）、输出第一辅助标准块31模型与设计模型；通过第一辅助标准块31建立机床坐标系，设置加工零点，从而完成对1/32真空室扇形段1的机械加工编程，并根据步骤（2）得到的形状尺寸误差评定数据进行试切和余量加工。

上述技术方案的工作原理是：

对于不具备机械加工定位基准的大型双层复杂曲面工件，无法确定加工余量及其位置、方向，需将测量数据模型统一于设计模型坐标系下并建立定位基准，然后根据定位基准和设计模型进行实际工件的余量加工。

具体的，

激光跟踪仪的测量坐标系通常与工件的设计坐标系无任何关联，为实现两坐标系的统一，可以在大型双层复杂曲面工件内外表面画网格线并将靶标逐点置于网格交点上进行采点测量，网格越密，则测量坐标系与设计坐标系进行拟合的精度越高，但过密的网格密度则导致测量时间的大量增加并且精度提高有限；本实施例采用的网格密度为200mm×200mm，即使如此，采点量也为千余个，测量时间以及后续测量坐标系和设计坐标系的数据拟合时间也达2~3天，这将大幅增加大型数控机床的时间成本；为不占用机床，此测量建议在机床以外的平台上进行。

由于工件较大，并且内外层表面均需测量，激光跟踪仪可转站测量方式，用以覆盖所有点的测量。转站测量是通过在机床平台上固定的增强参考系统（ERS）完成的，本实施例设置三个转站测量站点，每两站之间进行转换的ERS测量点不少于4个，通过对各组ERS点采集并进行最佳拟合转换，将不同站点测量坐标系下的数据统一至测量全局坐标系。

为实现测量全局坐标系和设计坐标系的统一，将实际测量数据点集与设计模型通过基于最小二乘法的最近点迭代算法进行配准，并迭代至收敛精度范围，从而将测量全局坐标系下的测量数据欧式变换到设计模型坐标系下，实现两坐标系的统一，同时装配基准点也被转换至大型双层复杂曲面工件的设计坐标系下，以便后续仅对装配基准点再次测量即可将数据统一于该设计坐标系下。

将大型双层复杂曲面工件移至机床加工平台上后，安装并固定辅助标准块，并在第一辅辅助标准块上加工三正交平面用于机床对刀；在第二辅助标准块和第三辅助标准块上分别加工两平面作为辅助标准块一上XY、YZ、XZ正交平面的延伸面，用以减小建立基准时长度方向误差。此时，所有测量数据均在测量全局坐标系下。

第一辅辅助标准块模型与设计模型同时输出后，根据辅助标准块一模型设置加工零点并进行编程，然后在辅助标准块一上对刀以确定加工基准，最终完成大型双层复杂曲面工件的余量加工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统，其特征在于：

包括：

激光跟踪仪组，用于测量上述工件在全局坐标系下内外面所有区域测量数据；

数据处理模块，用于将上述测量数据变换到该工件的设计模型坐标系下并获得误差评定数据；

机床加工平台，其上至少设有三个用于固定上述工件的辅助标准块，第一辅助标准块加工有三正交平面用于机床对刀，第二辅助标准块和第三辅助标准块上分别加工有两平面，作为第一辅助标准块上正交平面的延伸面，用于减小建立基准时长度方向误差；

编程控制系统，用于输出第一辅助标准块模型与设计模型，通过第一辅助标准块建立机床坐标系，设置加工零点，完成对上述工件的机械加工编程，并根据数据处理模块得到的误差评定数据对上述工件进行试切和余量加工。

2.一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，使用如权利要求1所述的一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位系统进行定位，其特征在于：

包括以下步骤：

（1）、利用激光跟踪仪组获得上述工件在全局坐标系下内外面所有区域测量数据；

（2）、利用数据处理模块将上述测量数据点集与该工件的设计模型进行配准，从而将测量全局坐标系下的测量数据欧式变换到设计模型坐标系下，并得到该工件的形状尺寸误差评定数据；

（3）、将该工件移至机床加工平台上，在其周围布置三个辅助标准块并固定，在第一辅助标准块上加工三正交平面，在第二辅助标准块和第三辅助标准块上加工第一辅助标准块各平面的延伸面，测量装配基准点和第一辅助标准块上的三正交平面，获得测量数据，将第一辅助标准块上的三正交平面测量点数据拟合为三正交平面模型，即第一辅助标准块模型；

（4）、将步骤（3）中所述的装配基准点测量数据与步骤（1）中所述的装配基准点数据进行配准，并将所有测量数据从该工件的测量全局坐标系下转换至模型设计坐标系下；

（5）、利用编程控制系统输出第一辅助标准块模型与设计模型，通过第一辅助标准块建立机床坐标系，设置加工零点，从而完成对该工件的机械加工编程，并根据步骤（2）得到的形状尺寸误差评定数据进行试切和余量加工。

3.根据如权利要求2所述的一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，其特征在于：所述步骤（1）中测量数据采用激光跟踪仪转站测量的方式进行获取。

4.根据如权利要求2所述的一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，其特征在于：所述步骤（2）中的配准方式为，将测量数据点集与设计模型通过基于最小二乘法的最近点迭代算法进行配准。

5.根据如权利要求2所述的一种无基准大型双层复杂曲面工件的机械加工定位方法，其特征在于：所述步骤（3）中测量装配基准点和第一辅助标准块上的三正交平面的测量方式为，利用激光跟踪仪组进行测量。